KR20130003008A - 광로 전환 장치 및 광 신호의 광로 전환 방법 - Google Patents

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KR20130003008A
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Abstract

본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 신호광과 제어광을, 입사면이 중력 방향에 대하여 수직으로 설정된 열 렌즈 형성 광학 소자에 중력 방향으로 안내하여, 각각 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 수속시킬 수 있는 축소 광학계를 포함한다. 이 광로 전환 장치는, 상기 제어광이 조사되지 않을 경우의 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광이, 동일한 광학 소자에 의해 수속 또는 집광되는 수광 수단을 더 포함한다. 또한, 이 광로 전환 장치는, 광로 전환된 상기 신호광의 통과 위치에 설치해서, 광로 변경 신호광과 직진 신호광의 광축간 거리를 넓히는 웨지형 프리즘을 포함한다.

Description

광로 전환 장치 및 광 신호의 광로 전환 방법{OPTICAL-PATH-SWITCHING APPARATUS AND LIGHT SIGNAL OPTICAL-PATH-SWITCHING METHOD}
본 발명은, 광 통신이나 광 정보 처리 등의 광 전자나 포토닉스(photonics)의 각 분야에서 이용될 수 있는 열 렌즈 방식 광 제어식 광로 전환 스위치를 이용해서 광로의 전환을 행할 수 있는 광로 전환 장치, 및 관련 광 신호의 광로 전환 방법에 관한 것이다.
본 발명자 등은, 앞서, 새로운 원리에 의거하는 광로 전환의 장치 및 관련 방법을 발명했다(특허문헌 1 참조). 이 광로 전환 장치 등에서는, 열 렌즈 형성 광학 소자 내의 제어광 흡수 영역에 대하여, 제어광 흡수 영역이 흡수할 수 있는 파장 대역의 제어광과, 제어광 흡수 영역이 흡수할 수 없는 파장 대역의 신호광을, 수속시 각 광축이 일치하도록 조사할 수 있는 구성을 갖고 있다.
이 구성에 따르면, 열 렌즈 형성 광학 소자 내의 제어광 흡수 영역에의 신호광의 조사에 대하여, 제어광의 조사는 선택적으로 행해진다. 특히, 제어광의 조사가 신호광의 조사와 동시에 행해지지 않을 때에는, 신호광이 미러의 홀(hole)을 통해 직진한다.
한편, 제어광의 조사가 신호광의 조사와 동시에 행해질 때에는 신호광의 진행 방향에 대하여 경사진, 홀이 형성된 미러에 의해 반사된다. 즉, 미러는 신호광의 광로를 변경시킨다.
이에 대해, 특허문헌 1에는, 1종류의 파장만의 제어광에 의해 신호광의 진행 방향을 2 방향간에 전환할 수 있는 광 제어형 광로 전환 장치가 개시되어 있다. 이 특허문헌 1에서 논해지는 광 제어형 광로 전환 장치를 이하에서는 "1대2형 광 제어형 광로 전환 장치"라고 한다.
또한, 본 발명자 등은, 열 렌즈 형성 광학 소자 및 홀이 형성된 미러를 복수 조합하여 이용해서 구성한 광 제어식 광로 전환 장치 및 관련 광 신호 광로 전환 방법을 발명했다(특허문헌 2 참조).
이 광로 전환 장치에 따르면, 제어광 흡수 영역이 흡수할 수 있는 파장 대역과 제어광의 파장이 1대1로 대응 관계에 있다. 또한, 이 광로 전환 장치는, 예를 들면 흡수 파장 대역이 상이한 색소를 이용한 3종류의 제어광 흡수 영역을 갖는 열 렌즈 형성 광학 소자를 합계 7개 조합시켜서 사용한다.
아울러, 이 광로 전환 장치는 3종류의 파장을 갖는 제어광의 각각의 명멸을 제어함으로써, 예를 들면 서버의 데이터를 8개소에 배신(配信)할 수 있는 광 제어식 전환 시스템을 실현한다.
상기의 특허문헌 1, 2에서 논의된 광로 전환 장치에 따르면, 제어광을 조사했을 경우의 열 렌즈 효과에 의해 신호광의 빔 단면(斷面) 형상은 링 형상으로 변화된다. 그래서, 이 광로 전환 방식을 이하에서는 "링 빔 방식"이라고 한다.
또한, 본 발명자 등은, 그 후, 특허문헌 3 ~ 6에 개시되는 바와 같이, 광로 변경 방법 및 광로 전환 장치를 더 제안했다. 이들 광로 변경 방법 및 광로 전환 장치에 따르면, 열 렌즈 형성 광학 소자의 제어광 흡수 영역에, 제어광 흡수 영역이 흡수할 수 있는 파장 대역의 제어광, 및 제어광 흡수 영역이 흡수할 수 없는 파장 대역의 신호광을 입사시켜, 제어광 및 신호광이 제어광 흡수 영역에서 수속하도록 조사된다. 이 경우에, 제어광 및 신호광 각각의 광의 수속점의 위치가 상이해진다.
따라서, 제어광 및 신호광은, 광의 진행 방향에서 제어광 흡수 영역의 입사면 또는 그 부근에서 수속하고, 그 후, 확산한다. 이에 따라, 제어광 흡수 영역 내에서 제어광을 흡수한 영역 및 그 주변 영역에 온도 상승이 일어난다. 당해 온도 상승에 기인해서 가역적으로 열 렌즈의 구조가 변화된다. 굴절율이 실질적으로 변화되고, 그에 따라 신호광의 진행 방향이 변화된다.
특허문헌 3 ~ 6에 기재된 광로 변경 방식에 따르면, 제어광을 조사해도 신호광의 빔 단면 형상은 거의 원형(圓形)으로 유지된다. 그래서, 당해 광로 변경 방식을 이하에서는 "원형 빔 방식"이라 한다.
특허문헌 4, 5에는, 1종류의 파장의 제어광에 의해 제어광의 진행 방향을 2방향간에 전환하는 1대2형 광 제어형 광로 전환 장치가 개시되어 있다. 또한 특허문헌 5, 6에는, 예를 들면 7코어 광 파이버 번들의 중심 파이버로부터 출사되는 신호광의 광로를, 중심 파이버의 둘레에 설치된 둘레 광 파이버로부터 출사되는 제어광에 의해 7방향간에 전환할 수 있는 광 제어형 광로 전환 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 5, 6에 기재된 광 제어형 광로 전환 장치를 이하에서는 "1대7형 광 제어형 광로 전환 장치"라고 한다.
또한, 종래의 원형 빔 방식의 광 제어형 광로 전환 장치, 특히 1대7형 광 제어형 광로 전환 장치에 있어서, 열 렌즈 형성 소자에는, 제어광 및 신호광이 제어광 흡수 영역에서 각각의 광의 수속점의 위치가 상이하게 조사된다. 이에 대해서, 신호광 빔 및 복수의 제어광 빔의 광축의 위치 정합의 번잡함을 피하고, 또한 편파(polarization) 의존성에 악영향을 끼칠 수 있는 다이크로매틱 미러의 사용을 피할 수 있으므로, 특허문헌 7에 기재된 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들의 채용이 바람직하다.
또한, 특허문헌 8에는, 열 렌즈 형성 광학 소자에 사용되는 색소 용액의 용제의 점도 및 점도의 온도 특성의 설명과 함께, 열 렌즈 효과를 유효하게 할 수 있는 열 렌즈 형성 광학 소자가 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 6에는, 예를 들면 7 방향간에 전환된 신호광을 검출할 수 있는 7코어 광 파이버 번들을 사용하는 광 제어형 광로 전환 장치가 개시되어 있다.
일본국 특허 제3809908호 공보 일본국 특허 제3906926호 공보 일본국 특개2007-225825호 공보 일본국 특개2007-225826호 공보 일본국 특개2007-225827호 공보 일본국 특개2008-083095호 공보 일본국 특개2008-076685호 공보 일본국 특개2009-175164호 공보
종래의 원형 빔 방식의 광 제어형 광로 전환 장치에 이용되는 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들을 싱글 모드 광 파이버의 클래드를 에칭하고나서 복수의 광 파이버를 묶는 방법으로 제조할 경우, 각각의 광 파이버에 충분한 내구성을 보장하기 의해, 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들을 구성하는 조립된 광 파이버의 코어 중심간 거리(즉 에칭 처리된 클래드 직경)를 40㎛보다 작게 하는 것은 용이하지 않다.
그 결과, 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들을 신호광 및 제어광 출사 소자로서 이용할 경우, 열 렌즈 형성 광학 소자에 있어서 제어광의 광 흡수에 의해 형성되는 열 렌즈 영역이 신호광 빔의 광로 변경에 미치는 영향이 경감된다. 제어광 파워의 이용 효율이 떨어진다. 또한, 열 렌즈 효과의 응답이 늦어진다.
또한, 열 렌즈 영역과 신호광 빔의 상호 작용을 불충분해진다. 광로 변경각을 크게 할 수 없다. 따라서, 신호 빔 검출기 간격을 작게 해야만 한다. 그러나, 각 검출기가 파이버일 경우에는, 상기의 설명과 같이 간격을 작게 하는 것은 용이하지 않다.
검출기간 간격을 크게 할 수 있어도, 광로 변경된 신호광 빔 스폿이 비대화한다. 결과적으로, 직진 신호광 및 인접하는 광로 변경된 신호광간의 크로스토크가 커진다.
또한, 특허문헌 5에 나타낸 바와 같이, 열 렌즈로부터 출사한, 제어광을 조사하지 않은 신호광과 제어광을 조사한 신호광을, 단지 동일한 렌즈 등에 의해 집광하는 광학 수단을 이용하여 집광할 경우에는, 신호광의 광축이 파이버 단부면에 수직하게 입사하지 않는다. 이 광 파이버를 이용했을 경우, 신호광의 검출 효율이 나빠진다.
본 발명의 목적은, 상기의 과제를 감안하여, 제어광의 광 흡수에 의해 형성되는 열 렌즈 영역과 신호광 빔의 위치를 접근시켜, 요하는 제어광 파워를 낮게 하고, 또한 열 렌즈 효과의 응답을 개선하고, 신호광의 검출 효율을 높이고, 복수의 광로 전환 신호광 상호, 및 직진 신호광과의 크로스토크를 더 저감시킨, 광로 전환 장치 및 광 신호의 광로 전환 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광로 전환 장치 및 관련 광 신호의 광로 전환 방법을 제공한다.
청구항 1에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는,
1 종류 이상의 파장의 신호광을 발생시킬 수 있는 신호광 광원과,
상기 신호광과는 상이한 특정 파장의 제어광을 발생시킬 수 있는 2개 이상의 제어광 광원과,
상기 신호광을 투과시키고, 상기 제어광을 선택적으로 흡수할 수 있는 광 흡수층을 포함하는 열 렌즈 형성 광학 소자와,
상기 광 흡수층에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 안내하여 수속시킬 수 있는 집광 수단을 포함하고,
상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 제어광과 상기 신호광을, 광의 진행 방향으로 상기 광 흡수층 내에서 수속한 후 확산시킴으로써, 상기 광 흡수층 내에 있어서의 상기 제어광을 흡수한 영역 및 그 주변 영역에 국부적으로 일어나는 온도 상승에 기인해 열 렌즈를 과도적으로 형성하고, 당해 열 렌즈에 의해, 상기 신호광의 진행 방향을 바꾸어, 광로 전환을 실현할 수 있는 상기 광 흡수층 내에 굴절률 분포가 생기고,
또한, 제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단을 설치해서, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 서로 동일한 상기 제 1 수광 수단과 상기 제 2 수광 수단에 의해 각각 수속 또는 집광하고,
웨지형 프리즘을 상기 제 1 수광 수단과 상기 제 2 수광 수단 사이에 설치해서, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을 분광한 상태로 굴절시키는 광로 전환 장치로서,
(1) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 수직으로 설정되고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향은 중력 방향과 평행하게 설정되고,
(2) 상기 집광 수단은, 상기 광 흡수층의 입사면에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 집광시키며, 축소 투영 광학계를 구성하고 있고,
(3) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(4) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 광축과, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광의 광축 사이의 거리가 가까워지게 상기 광로 전환된 신호광을 굴절하도록, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(5) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 웨지형 프리즘을 배치하지 않았을 경우에, 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광이, 상기 제 1 수광 수단 및 상기 제 2 수광 수단에 의해 동일한 위치에 수속 또는 집광되도록 위치되어 있는, 상기 (1) 내지 (5)의 조건 중 적어도 하나를 만족한다.
청구항 2에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 청구항 1에 기재된 광로 전환 장치의 특징을 갖는 것에 더해, 상기 신호광 및 제어광은, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상방에 위치된 입사면을 통해 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사되는 것을 더 특징으로 한다.
청구항 3에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 광로 전환 장치의 특징을 갖는 것에 더해,
상기 제 2 수광 수단에 의해 수속 또는 집광된, 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광을 수광할 수 있는 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들을 더 포함한다.
청구항 4에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 기재된 광로 전환 장치의 특징을 갖는 것에 더해,
상기 신호광 광원과 비결속(non-bundled) 말단에서 접속된 중심 광 파이버와, 상기 신호광과는 상이한 파장의 제어광을 각각 발생시키는 2개 내지 6개의 상기 제어광 광원 각각에 비결속 말단이 접속된 6개의 둘레 광 파이버를 포함하는 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들을 더 포함한다.
청구항 5에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나에 기재된 광로 전환 장치의 특징을 갖는 것에 더해, 상기 웨지형 프리즘은 6각뿔대형 프리즘이고, 상기 6각뿔대형 프리즘은 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광이 상기 6각뿔대형 프리즘의 정상 평면을 수직으로 통과하게 하고, 광로 전환된 상기 신호광이 상기 6각뿔대형 프리즘의 6개의 웨지면 중 어느 하나를 통과하게 하여, 각각의 광이 6각뿔대형 프리즘으로부터 출사되게 하는 것을 더 특징으로 한다.
청구항 6에 기재된 본 발명에 따른 광로 전환 장치는, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 기재된 광로 전환 장치의 특징을 갖는 것에 더해, 제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단은 초점 거리 1.0㎜ 내지 3.0㎜의 범위 내인 구면 또는 비구면 볼록 렌즈인 것을 더 특징으로 한다.
청구항 7에 기재된 본 발명에 따른 광 신호의 광로 전환 방법은,
신호광 광원으로부터 1종류 이상의 파장의 신호광을 발생시키는 단계,
2개 이상의 제어광 광원으로부터 상기 신호광과는 상이한 특정 파장의 제어광을 발생시키는 단계,
상기 신호광을 투과시키고 상기 제어광을 선택적으로 흡수할 수 있는 열 렌즈 형성 광학 소자의 광 흡수층에, 상기 신호광과 상기 제어광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 수속하도록 안내하는 단계,
상기 신호광을, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 투과시키는 단계,
상기 제어광을, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 광 흡수층 내에 흡수시켜서 상기 광 흡수층 내에 있어서의 상기 제어광을 흡수한 영역 및 그 주변 영역에 국부적으로 일어나는 온도 상승에 기인해 열 렌즈를 과도적으로 형성시키고, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자가 상기 광 흡수층 내에 굴절률 분포를 생기게 해서, 상기 신호광의 진행 방향을 바꾸어서 광로 전환을 실현하는 단계,
상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 동일한 광학 소자로 이루어지는 제 1 수광 수단 및 제 2 수광 수단에 의해 수속 또는 집광시키는 단계,
상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단 사이에 설치한 웨지형 프리즘에 의해 분광한 상태로 굴절시시키는 단계를 포함하고,
(6) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면을 중력 방향에 대하여 수직으로 설정하고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향은 중력 방향과 평행하게 설정되고,
(7) 상기 광 흡수층의 입사면에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 집광시키며, 축소 투영 광학계를 구성하고 있고,
(8) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(9) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 광축과, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광의 광축 사이의 거리가 가까워지게 상기 광로 전환된 신호광을 굴절하도록, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(10) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 웨지형 프리즘을 배치하지 않았을 경우에, 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광이, 동일한 위치에 수속 또는 집광되도록 위치되어 있는, 상기 (6) 내지 (10)의 조건 중 적어도 하나를 만족한다.
본 발명에 따른 광로 전환 장치 및 광 신호의 광로 전환 방법은 다음 효과를 가져온다.
첫째로, 본 발명은 신호광의 광로 전환에 요하는 제어광 파워를 40㎽ 이하로 낮출 수 있다.
둘째로, 본 발명은 10밀리초 이하의 빠른 속도로 신호광의 광로 전환을 실현할 수 있다.
셋째로, 본 발명은 직진 신호광 및 인접하는 광로 전환 신호광 사이의 크로스토크를 -30dB 이하로 할 수 있다.
광로 변경된 신호광이 광 파이버에 거의 수직으로 입사할 수 있으므로, 파이버 결합 효율을 크게 개선할 수 있다.
광로 변경된 신호광을 웨지형 프리즘을 이용하여 진행 방향을 바꿀 수 있으므로, 입사광을 각각 검출하는 2개 이상의 광 파이버간의 간격을 적절히 설정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 광로 전환 장치의 모식도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태의 광로 전환 장치에 이용될 수 있는 6각뿔대 프리즘의 모식도.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 단부면 근접 다코어 광 파이버의 개략 구성을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태의 광로 전환 장치의 모식도.
도 5a는 본 발명의 신호광이 제어광 조사에 의해 광로 변경되는 상황을 설명한 도면.
도 5b는 본 발명의 신호광이 제어광 조사에 의해 광로 변경되는 상황을 설명한 도면.
도 5c는 본 발명의 신호광이 제어광 조사에 의해 광로 변경되는 상황을 설명한 도면.
도 5d는 도 5b의 2점 쇄선으로 둘러싼 부분의 확대도.
도 6은 본 발명의 광 흡수층에서의 광축간 거리(즉, 집광점에서의 신호광과 제어광이 광축에 직각 방향의 거리)와 대응 광로 변경량(즉, 광로 변경각)의 관계를 나타낸 그래프.
도 7은, 제어광과 신호광의 광축간 거리를 30㎛로 해서 열 렌즈 형성 광학 소자의 광 흡수층에 제어광 및 신호광을 입사시키고, 열 렌즈 형성 광학 소자로부터 출사한 직진 신호광(10) 및 광로 전환 신호광(11 ~ 16)을 빔 프로파일러의 수광면에 입사시켰을 때의 직진 및 광로 전환 신호광 빔 위치를 나타낸 도면.
도 8은, 본 발명의 제 1 실시형태의 광로 전환 장치에 있어서, 제어광과 신호광의 광축간 거리를 25㎛으로 해서 열 렌즈 형성 광학 소자의 광 흡수층에 제어광 및 신호광을 입사시키고, 열 렌즈 형성 광학 소자로부터 출사한 직진 및 광로 전환 신호광 빔을 빔 프로파일러의 수광면에 입사시켰을 때의 직진 및 광로 전환 신호광 빔 단면을 나타낸 도면.
도 9는 본 실시형태의 최선의 상태에 있어서, 제어광(21 내지 26) 중 어느 하나(예를 들면, 제어광(21))를 듀티비 1:1로 단속적으로 명멸시키며 주파수를 50㎐에서 2000㎐의 범위 내에서 변화시켰을 때의, 직진 신호광과 광로 변경 신호광의 강도와, 제어광이 계속적으로 소등하고 있을 때의 레퍼런스 상태의 신호광 강도의 비로서 얻어진 값(이하, "진폭"이라고 부름)을 플롯한 그래프.
이하에, 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면에 의거하여 설명한다.
〔제 1 실시형태〕
도 1 ~ 도 3을 참조해서 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광로 전환 장치를 설명하고, 아울러 광 신호의 광로 전환 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광로 전환 장치의 개략적인 구성예이다. 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 광로 전환 장치는, 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100), 콜리메이터 렌즈(5), 집광 렌즈(6), 열 렌즈 형성 광학 소자(1), 제 1 수광 수단인 수광 렌즈(7), 제 2 수광 수단인 결합 렌즈(8), 웨지형 프리즘인 6각뿔대 프리즘(9), 및 수광측 7코어 광 파이버 번들(210)을 포함한다.
또한, 광로 전환 장치는 상술한 주요 광학 부품을 고정하는 기판 및 설치대(도시 생략)를 포함한다.
예를 들면, 발진 파장 1490㎚의 신호광 광원(도시 생략)으로부터 출사된 신호광은 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 중심 광 파이버에 공간 또는 광 파이버를 통해 결합될 수 있다.
이어서, 신호광은 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 단부면(101)으로부터 신호광(20)으로서 진행한다. 신호광(20)은 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 도달한다. 제어광이 조사되지 않을 경우에는, 신호광(20)은 직진 신호광(10)으로서 진행하고, 수광측 7코어 광 파이버 번들(210)의 중심 광 파이버 단부면(200)에 입사한다.
예를 들면, 제어광은 발진 파장 980㎚의 2 내지 6기의 제어광 광원(도시 생략)으로부터 발생될 수 있다. 발생된 제어광은 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)을 구성하는 6개의 둘레 광 파이버 중 어느 하나에 공간 또는 광 파이버를 통해 결합될 수 있다. 이어서, 제어광은 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 단부면(101)으로부터 출사된다.
단부면(101)으로부터 출사된 신호광과 제어광은, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)의 2개의 볼록 렌즈를 순서대로 배치해서 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 집광된다.
상술한 볼록 렌즈들을, 수차(收差)를 작게 해서 결상 가능하면 1개의 볼록 렌즈로 대체할 수 있다. 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 광 파이버 코어 중심간 거리(L)가 40㎛일 경우, 2개의 볼록 렌즈(콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6))를 이용하여 축소 광학계로 했다. 그 이유는 다음과 같다.
열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 있어서 신호광과 제어광간의 간격을 40㎛ 이하로 하지 않으면, 제어광의 광 흡수에 의해 형성되는 열 렌즈 영역이 신호광 빔의 광로 변경에 미치는 영향이 충분하지 않을 수 있다. 제어광 파워의 이용 효율이 떨어진다.(동일 제어광 파워일 경우, 광로 변경각이 작아진다. 6각뿔대 프리즘(9)에서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 분리가 나쁘다.)
예를 들면, 2개의 볼록 렌즈(즉, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6))는, 각각 초점 거리 2㎜, NA(Numerical Aperture) 0.5의 비구면 렌즈일 수 있다. 상술한 광학 부품(즉, 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100), 콜리메이터 렌즈(5), 집광 렌즈(6), 및 열 렌즈 형성 광학 소자(1))간의 간격을 적절히 조정함으로써, 상기 40㎛의 광축간 거리를, 35㎛, 30㎛, 및 25㎛까지 축소시켜서, 색소 용액(즉, 광 흡수층)(3)에 광이 도달할 수 있다.
출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 광 파이버 코어 중심간 거리(L)를 충분히 작게 할 수 있으면, 축소 광학계로 할 필요는 없다. 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)로서, 초점 거리 2㎜의 비구면 렌즈를 사용했지만, 초점 거리가 2㎜인 비구면 렌즈가 아니어도 됨은 물론이다.
수광 렌즈(7) 및 결합 렌즈(8)는, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)(초점 거리 2㎜, NA 0.5)와 동일한 비구면 렌즈이다. 그러나, 수광 렌즈(7) 및 결합 렌즈(8)는, 상술한 비구면 렌즈로 제한되지 않는다. 예를 들면, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8) 각각은 초점 거리 2㎜ 내지 8㎜ 범위의 볼록 렌즈일 수 있다. 또한, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)는 초점 거리가 서로 다를 수 있다.
초점 거리가 긴 렌즈를 사용하고, 신호광으로서 1490㎚와 1310㎚로 2가지 파장의 광을 이용했을 경우, 색수차가 생기게 되었다. 초점 거리 2㎜ 이하로 하면, 색수차의 영향이 현저히는 생기지 않았다. 따라서, 수광 렌즈(7) 및 결합 렌즈(8)의 초점 거리가 8㎜일 경우에는, 수광 렌즈(7) 및 결합 렌즈(8)로서 아크로매틱 렌즈(achromatic lense)를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 이용될 수 있는 단부면 근접 다코어 광 파이버(100)의 개략적인 구성을 나타내는 단면도를 도 3에 나타낸다. 단부면 근접 다코어 광 파이버(100)는 7개의 광 파이버를 포함한다. 예를 들면, 각각의 광 파이버는 코어(31)의 직경 10㎛, 클래드(32)의 외경 125㎛의 싱글 모드 파이버의 클래드 부분을 불화수소로 에칭해서 클래드 외경 40㎛로 제조될 수 있다. 7개의 광 파이버를 묶어서 에폭시 접착제(33)와 함께 세라믹제 페롤(ferrule)(34)의 보어(bore)에 삽입한다. 접착제를 경화시킨 후, 단부면(101)을 연마한다.
7개의 광 파이버 타단은 묶여 있지 않다. 단부면 근접 다코어 광 파이버(100)의 중심 광 파이버의 비결속 말단은 신호광의 광원에 접속된다. 둘레 광 파이버 6개의 비결속 말단은 각각 제어광 광원에 접속된다. 이하, 중심 광 파이버를 "No. 0" 광 파이버라 한다. 둘레 광 파이버를 "No. 1" 내지 "No. 6" 광 파이버라 부른다.
수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8) 사이에 설치하는 6각뿔대 프리즘(9)의 형상을, 도 2에 예시한다. 여기에서, 도 2의 상단에는, 평면도가 나타나고, 도 2의 하단에는 대응하는 측면도가 나타나 있다.
예를 들면, 수광 렌즈(7)로서 초점 거리 2㎜의 렌즈를 이용했을 경우, 6각뿔대 프리즘(9)은 다음의 치수를 갖는다. 도 2에 있어서, 정상 평면(90)의 길이(d)가 0.44㎜, 저부 평면의 길이(D)가 8.6㎜이다. 6각뿔대 프리즘(9)의 두께(t)가 3.0㎜이다. 6각뿔대 프리즘(9)은, 굴절율 약 1.5의 글래스 부재로 이루어진다. 웨지의 각도(θ)가, 예를 들면 7.1도, 또는 14.0도이다.
정상 평면(90)의 길이(d)가 0.44㎜인 이유는, 열 렌즈를 투과한 제어광이 조사되지 않을 경우의 직진 신호광(10)이, 확실히 정상 평면(90)을 통과할 수 있게 하기 위함이다.
예를 들면, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리가 2㎜이고 결합 배율이 1배이고, 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 NA를 0.1로 하면, 광속 직경은 약 0.4㎜로 된다. 그러나, 레이저 빔은 가우스 분포하고 있으므로 실제 길이(d)를 여유를 둔 값(0.44㎜)으로 했다.
콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)의 2개의 볼록 렌즈로 축소 광학계로 하고 있으므로, 수광측 7코어 광 파이버 번들(210)을 구성하는 각 광 파이버에서의 신호광의 결합 효율을 높이기 위해서, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의해 확대 광학계로 하고 있다.
이 때문에, 수광 렌즈(7)로부터 출사되는 직진 신호광과 광로 변경된 신호광은 완전한 평행 광으로 되지 않는다. 길이(d)의 실제 값은 0.4㎜와는 다소 상이할 수 있다. 그러나, 확대율이 작으므로, 이들 광은 평행 광에 근사될 수 있다. 또한, 수광 렌즈(7)와 6각뿔대 프리즘(9)의 간격을 필요 최소한으로 할 경우 길이(d)의 값은 크게 바꿀 필요는 없어진다. 또한, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 바꾸었을 경우에는, 정상 평면(90)의 길이(d)를 바꿀 필요가 있다. d의 길이는, 이용하는 렌즈의 초점 거리에 비례한다.
이 6각뿔대 프리즘(9)은, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 의해 진행 방향이 바뀐 신호광을 다시 진행 방향을 바꿀 수 있다. 6각뿔대 프리즘(9)은, 수광측 7코어 광 파이버 번들의 위치에 있어서의 거리(Dx)(직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 중심간 거리)를 확대할 수 있다.
웨지의 경각(傾角)을 도 2에 나타낸 바와 같이 θ라고 하면, 굴절율이 약 1.5일 경우 웨지를 통과한 광은, 웨지 두께가 큰 방향으로, 웨지를 삽입하지 않을 경우의 진행 방향에 대해 각도 약 θ/2 경사져서 진행한다.
예를 들면, θ=7.1(도)에서, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리가 2㎜이고 결합 배율이 1배일 경우, 거리(Dx)는 약 125㎛(Dx≒2000*2π*7.1/2/360)이다. 거리(Dx)는, 이용하는 렌즈의 초점 거리에 비례한다. 또한 거리(Dx)는, 웨지의 경각(θ)에 비례한다. 이들 수치의 적절한 조합에 의해, 거리(Dx)를 예를 들면 250㎛ 또는 300㎛로 확대할 수 있다.
이하의 설명에서는, 수광측 검출기로서 7코어 파이버 번들을 예로 든다. 검출 위치에 있어서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 중심간 거리가 클 경우, 예를 들면 거리(Dx)가 400㎛ 이상일 경우에는, 7코어 광 파이버 번들의 사용이 바람직하지 않을 수 있다. 이 경우에, 싱글 모드 광 파이버 7개를 각각의 대응하는 신호광을 최선으로 검출할 수 있도록 위치 조정을 해서 접착시켜 이용하는 것이 유용하다.
예를 들면, 검출 위치에 있어서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 중심간 거리가 425㎛일 경우에는, 여기의 광 파이버의 피복을 벗기고, 중심 광 파이버는 내경 150㎛ ~ 180㎛, 외경 300㎛의 니켈 고정 관에 통과시켜서 고정하고, 6개의 둘레 광 파이버는 니켈 관 둘레에 접착했다.
검출 위치에 있어서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 중심간 거리가 상술한 값보다 클 경우에는, 니켈 관의 외형을 크게 하는 것이 유용하다.
(요소 기술 S1) 열 렌즈 효과의 크기:
(S1-1) 제어광의 파워 밀도(제어광의 파워, 집광 조건, 광학계 로스(loss), 및 색소 용액의 용제의 비점)
(S1-2) 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 성능(색소의 농도와 흡광도, 색소 용액의 점도와 그 온도 특성, 색소 용액의 액막의 두께, 제어광의 집광점의 위치, 용액 셀의 형상 등)
(S1-3) 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)에 입사한 위치에 있어서의 신호광 광축과 제어광 광축간의 위치 관계와 광축간 거리
(S1-4) 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 설치 방향과 중력 방향간의 관계 및 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 대한 신호광 및 제어광의 입사 방향과 중력 방향간의 관계
(요소 기술 S2) 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 신호광과 제어광을 안내할 수 있는 광학계의 설계:
(S2-1) 축소 투영 광학계의 채용
(S2-2) 광 흡수층의 두께 방향에서의 신호광과 제어광을 수속시키는 위치
(요소 기술 S3) 열 렌즈 형성 광학 소자(1)로부터 출사되는 직진 신호광(10) 및 광로 변경 신호광(11 ~ 16)을 수광할 수 있는 광학계의 설계:
(S3-1) 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리의 선정과 조합
(S3-2) 6각뿔대형 프리즘(9)의 웨지(쐐기) 부분의 각도(θ)의 설정
(S3-3) 수광 렌즈(7), 6각뿔대형 프리즘(9), 결합 렌즈(8), 및 수광측 7코어 광 파이버 번들의 단부면의 소자간 거리
(요소 기술 S4) 응답 속도
이하, 이들 설계 요소 및 조작 조건의 제약과 바람직한 실시형태에 관하여 기술한다.
[요소 기술 S1] 열 렌즈 효과의 최적화:
열 렌즈 형성 광학 소자(1)는, 색소 용액(3)을 충전한 코인형 용액 셀(2)을 포함한다. 용액 셀(2)은, 석영제 원판 2매와 석영제 스페이서를 포함한다. 석영제 원판 및 석영제 스페이서 각각은 두께가 500㎛이다. 용액 셀(2)의 직경은 8㎜ ~ 10㎜의 범위 내이다.
예를 들면, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 제조 방법은, 코인형 용액 셀(2)에, 흡수 극대 파장 950㎚ 내지 1050㎚이며 신호광의 파장 대역(예를 들면 1310㎚ 내지 1600㎚)의 대역에 광 흡수가 없는 유기 색소를 비점 범위 290℃ 내지 300℃의 유기 용제에 용해하는 것을 포함한다.
상기 제조 방법은, 액 두께 500㎛, 파장 광 980㎚의 경우에서의 흡광도를 5.0 이상으로 미리 농도 조정한 색소 용액(3)을 용액 셀(2)에 충전하고, 주입 홀을 에폭시 접착제로 밀폐하는 것을 더 포함한다. 물론, 색소 용액(3)은 색소 흡수층으로서 작용한다.
상기 유기 색소로서는, YAG 레이저를 광원으로 하는 적외선 장치에서 이용되는 적외선 흡수 색소로서 시판되고 있는 염료를 적합하게 이용한다. 최적값은 색소의 착색력에 따르지만, 액 두께 500㎛의 경우에서 상기의 광학 농도를 달성하기 위해서는, 용액 중에서의 색소의 농도를 O.1 중량% 내지 O.5 중량% 정도로 설정하는 것이 바람직하다.
이러한 용해성 및 상기의 광 흡수 특성을 갖고, 또한 용액 상태(즉, 하기의 용제에 용해시킨 상태)에 있어서, 흡수 파장 대역의 레이저를 장시간 조사받아도, 또한, 순간적으로 300℃ 부근까지 승온되어도 분해하지 않는 유기 색소이면, 그 화학 구조에는 특별히 제약은 없다.
광의 조사는 다음과 같이 색소를 열화시키는 것이 일반적으로 알려져 있다. 대기 중의 기저 상태에서 삼중항의 산소 분자가, 색소가 흡수한 광 에너지를 받아서, 활성인 여기 일중항 산소 분자가 되어 색소를 산화한다. 이 화학 반응을 막기 위해서는, 색소 용액(3) 중의 용존 산소를 제거하는 정제 처리를 행한 후, 정제 처리된 색소 용액(3)을 용액 셀(2)에 밀폐하는 것이 유익하다.
또한, 상기 유기 용제로서는, 다음에 나타낸 구조 이성체(異性體) 4성분(분자량은 동일)의 혼합 용제의 사용이 추장(推奬)된다.
·제 1 성분: 1-페닐-1-(2, 5-크실릴)에탄
·제 2 성분: 1-페닐-1-(2, 4-크실릴)에탄
·제 3 성분: 1-페닐-1-(3, 4-크실릴)에탄
·제 4 성분: 1-페닐-1-(4-에틸 페닐)에탄
이 구조 이성체 4성분을 포함하는 혼합 용제는, 비점이 300℃ 가까운 다른 유기 용제에 비해 매우 점도 및 점도의 온도 의존성이 작아, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)용 용제로서의 이용이 바람직하다. 다만, 상술한 유기 용제는 공기 중의 산소 분자에 의해 산화되기 쉽다고 하는 결점을 갖는다. 이 문제에 대해서는, 상술한 바와 같이 용존 산소 분자를 제거하는 정제 처리를 행한 후, 정제된 색소 용액(3)을 용액 셀(2)에 밀폐함으로써 대처 가능하다.
제어광의 파워의 상한은 상기의 용제를 이용한 색소 용액의 비점에 따라 좌우된다. 즉, 제어광의 파워를 크게 해 갔을 경우, 열 렌즈 형성 영역의 최고 온도가 상기 용제의 비점에 달하면, 버블이 발생해 신호광의 투과가 방해된다.
또한, 완전히 비등(沸騰)하기 전에도, 미세한 버블이 발생하여, 신호광 빔이 산란되어, 빔 직경이 증대되게 된다. 그래서, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 있어서의 열 렌즈 효과를 가장 유효하게 이용하기 위해서는, 상기 비등이 개시하는 파워보다 5% 내지 10% 작은 파워를 상한으로 해서 제어광을 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사시키는 것이 바람직하다.
또한, 제어광 출력은 제어광 광원의 온도 변화 등에 기인하여 변동할 수 있다. 발진 출력의 변동 폭을 고려하면, 상기 비등이 개시하는 파워보다 단지 5% 작을 경우에는 출력 변동에 의해 제어광 출력이 상기 비등을 일으키는 파워까지 도달할 수 있다.
따라서, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 있어서의 열 렌즈 효과를 가장 유효하게 이용하기 위해서는, 상기 비등이 개시하는 파워보다 8% 내지 10% 작은 파워를 상한으로 해서 제어광을 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사시키는 것이 더 바람직하다.
제어광 파워의 바람직한 값은 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 제어광 및 신호광을 수속하도록 구성된 집광 광학계, 즉 예를 들면 도 1에 있어서의 렌즈(5 및 6)로 이루어지는 축소 광학계의 설계 조건에 따라 바뀐다.
예를 들면, 수광측 7코어 광 파이버 번들(210)에 수광시킬 경우, 렌즈(5 및 6)가 초점 거리 2㎜의 비구면 볼록 렌즈이며, 빔의 수속을 회절 한계에 가까워질 때까지 엄밀히 행하는 설정으로 했을 경우, 제어광 파워의 절대값은 약 20㎽ 내지 50㎽로 설정된다.
제어광 파워가 50㎽를 넘으면, 색소 용액의 비등이 일어날 경우가 있었다. 색소 용액의 비등을 회피하면서, 본 실시형태에 기재된 최선의 조건에 있어서, 수광측의 광 파이버에 60% 이상의 결합 효율이며, -30dB 이하의 인접 채널간의 크로스토크로, 신호광을 7방향간에 전환하는 것이 가능하다. 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사되는 제어광의 파워는, 기본적으로 렌즈(5, 6)의 초점 거리에는 관계없다.
광학 부품의 표면에 있어서의 반사에 의한 제어광 및 신호광의 손실을 저감하기 위해서, 사용하는 광학 부품의 표면(즉, 렌즈, 열 렌즈 형성 광학 소자, 6각뿔대형 프리즘 등), 및 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들 및 수광측 7코어 광 파이버 번들의 단부면에 무반사 코팅을 행하는 것이 추장된다. 무반사 코팅재로서는, 적절한 공지의 소재를 사용할 수 있다.
열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)에 입사한 위치에 있어서의 신호광 광축과 제어광 광축간의 위치 관계와 광축간 거리에 대해서는, 상기 광 흡수층에 상기 제어광과 상기 신호광을 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향으로 상이하게 해서, 상기 광 흡수층 내에서 수속하도록 안내하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들의 신호광과 제어광의 광축간 거리(예를 들면, 40㎛)를, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)에 입사한 위치에 있어서의 광축간 거리로서 20㎛ 내지 25㎛로, 축소 광학계로 축소함으로써, 열 렌즈 효과를 최대한으로 활용하는 것이 가능해진다.
상기 광축간 거리를 20㎛보다 짧게 하면, 광로 변경된 신호광의 빔 단면 형상이 뭉개져 수광측 광 파이버에의 입사 효율이 악화되게 된다.
도 6은, 상기 광 흡수층에서의 광축간 거리(즉, 집광점에서의 신호광과 제어광간의 광축에 직각 방향의 거리)와 대응하는 광로 변경량(즉, 광로 변경각)의 관계를 나타내는 예이다. 광축간 거리가 짧아질 수록, 광로 변경각이 커진다. 광로 변경각이 커지면, 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 분리가 좋아져, 검출된 신호(정보)의 크로스토크가 작아질 수 있다.
열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)의 제어광을 흡수한 부분에서 "온도 상승→열 팽창→밀도 저하=굴절율 저하"라고 일련의 현상에 따라 열 렌즈를 형성한다. 액체 중의 저밀도 부분은 열 대류를 일으켜, 상방(즉, 중력과는 반대 방향)으로 상승한다.
따라서, 열 렌즈 영역의 형상을 안정화하고, 또한 열 렌즈 효과를 최대한으로 하기 위해서는, 중력 방향에 대한 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 설치 방위, 및 중력 방향에 대한 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에의 신호광 및 제어광의 입사 방향을 하기와 같이 설정하는 것이 유용하다.
즉, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 수직으로 설정된다. 또한, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사되는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향은 중력 방향과 동일하다.
이렇게 장치 및 조작 방법을 설정함으로써, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)에 형성된 열 렌즈 영역은 대류가 발생되는 것을 방지하는데 효과적이다. 따라서, 열 렌즈 영역은 용액 셀에서 동일 위치에 안정되게 유지될 수 있다. 그러므로, 제어광 파워를 매우 유효하게 열 렌즈 효과를 높이는데 이용하는 것이 가능해진다.
또한, 복수의 제어광을 신호광 빔에 대하여 상이한 위치에 조사해도, 형성되는 열 렌즈의 형상 및 신호광에 미치는 영향을 균일하게 하는 것이 가능해진다.
본 실시형태와 비교해야 할 장치 및 조작 방법의 설정 예로서, 다음의 비교예를 채용하는 것을 상정한다.
첫째로, 비교 실시예 1에서 기술하는 바와 같이, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 평행하게 설치될 수 있고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향을 중력 방향에 직교하도록 설정할 수 있다.
둘째로, 후술의 비교 실시예 2에서, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 수직으로 설치될 수 있고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향을 중력 방향과는 반대로 할 수 있다.
어느 경우도, 본 실시형태의 경우에 비해, 열 렌즈 효과의 이용 효율은 뒤떨어진다. 또한, 바람직하지 못한 현상으로서, 제어광의 조사 위치에 의존해서 광로 변경의 정도가 변화되거나, 열 렌즈 효과가 시간과 함께 변동해서 광로 변경된 신호광 빔 위치가 변화될 수 있다.
[요소 기술 S2] 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 신호광과 제어광을 안내하도록 구성된 광학계의 설계 최적화:
앞서 기술한 바와 같이, 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 중심 광 파이버로부터 출사되는 신호광 및 둘레 광 파이버로부터 출사되는 제어광의 광축간 거리를 예를 들면 40㎛로 한다. 이 경우에, 다음과 같이 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)로 구성되는 축소 투영 광학계에 의해 열 렌즈 효과를 최대로 할 수 있다.
구체적으로, 축소 투영 광학계는, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(색소 용액)에, 상기 제어광과 상기 신호광을 각각 수속점을 광축에 대하여 수직 방향으로 상이하게 하도록 각각 안내하여 수속시키다. 상기 신호광과 상기 제어광의 광축간 거리를 20㎛ 내지 30㎛로 축소할 수 있다.
이 경우에, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)로서는 초점 거리가 동일한 볼록 렌즈를 적합하게 2매 조합하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 초점 거리 2㎜, NA 0.5의 비구면 볼록 렌즈 2매를 조합해서, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)로서 사용하여, 축소 광학계를 구성할 수 있다.
상기 광 흡수층의 두께 방향으로 상기 신호광과 상기 제어광을 수속시키는 위치에 따라, 광로 전환된 신호광의 형상이 상이하다. 도 5a, 5b, 및 5c는, 신호광이 제어광 조사에 의해 광로 변경되는 상황을 설명한 도면이다. 또한, 도 5d는 도 5b의 2점 쇄선으로 둘러싼 부분을 확대한 도면이다. 다음의 설명을 간단하게 하기 위해서, 도 5a, 5b, 및 5c에서는 광 흡수층(3)과 광 흡수층의 둘레의 용액 셀(2)의 굴절율의 차이에 의한 광의 굴절은 무시하는 것으로 한다.
도 5a, 5b, 및 5c에 있어서, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층(3)에 있어서, 수속(집광)점 또는 그 부근에서의 제어광의 광 강도 분포(81), 및 수속(집광)점으로부터 떨어진 곳에서의 제어광의 광 강도 분포(82)를 나타낸다. 도 5a, 5b, 및 5c는, 제어광의 수속(집광)점(83)과, 제어광이 조사되지 않을 경우의 신호광의 수속(집광)점(85)과, 제어광이 조사되었을 경우의 신호광의 수속(집광)점(86)과, 외견상의 신호광의 수속(집광)점(84)을 더 나타낸다.
도 5a는 제어광과 신호광이 광 흡수층(3)의 입사면에 수속(집광)했을 경우의 레이저 빔의 광로를 모식적으로 나타낸다. 도 5b는 제어광과 신호광이 광 흡수층(3)의 입사면에 대해 광 흡수층 중에 (수십 ㎛)나아간 곳에 수속(집광)했을 경우를 나타낸다. 도 5c는 제어광과 신호광이 광 흡수층(3)의 입사면에서 더 광 흡수층 중에 나아간 곳에 수속(집광)했을 경우를 나타낸다.
제어광이 조사되지 않을 경우에는, 신호광은 직진한다. 제어광이 조사되면, 신호광은 광로 변경한다. 광 흡수층(3)을 투과한 신호광은, 도 1에 나타낸 검출기(201 ~ 206)에, 도 5a ~ 5d에 나타낸 광 흡수층(3)의 외견상의 신호광의 수속(집광)점(84)으로부터 신호광이 출사된 바와 같이 수속(집광)한다.
도 5a에 나타낸 바와 같이, 제어광이 조사되지 않을 경우의 신호광의 수속(집광)점(85)과, 제어광이 조사되었을 경우의 신호광의 수속(집광)점(86)은 일치한다. 외견상의 신호광의 수속(집광)점(84)은 수속(집광)점(86 또는 86)으로부터 떨어져 있다.
신호광은 열 렌즈 형성 광학 소자에 수속(집광)한다. 도면에서는 나타내고 있지 않지만, 제어광에 가까운 쪽의 신호광의 부분일 수록 제어광의 영향을 강하게 받아 크게 휘어진다. 한편, 제어광으로부터 떨어져 있는 신호광의 부분일 수록 휘어짐이 작다.
도 5a에 나타내는 예에 따르면, 입사면에서 빔 직경이 가장 작고, 그 후 입사면으로부터 거리가 멀어짐에 따라 넓어져 간다. 따라서 도 5a에 나타내는 예에 따르면, 신호광의 제어광에 가까운 부분은 신호광이 항상 제어광의 영향을 크게 받는다. 따라서, 이 경우의 수속(집광)한 신호광의 빔 단면의 형상은, 원형이 안 되고, 초승달 형상으로 된다.
도 5b에 나타낸 예에서, 제어광과 신호광간의 위치 관계는 도 5a에 나타낸 것과 다르지 않다. 그러나, 광 흡수층(3)의 위치를 제어광 및 신호광의 입사측을 향해 약간 이동시킨다. 따라서, 제어광 및 신호광이 광 흡수층(3)의 내부로 진입한 위치에서 수속(집광)한다. 이 경우에는, 제어광을 조사하지 않을 경우의 신호광의 수속(집광)점(85)과 외견상의 신호광의 수속(집광)점(84)의 위치가 거의 일치하게 할 수 있다.
이 경우를 확대해서 본 도 5d에 나타낸 바와 같이, 수속(집광)점(84과 85)은 일치한다. 수속(집광)점(86)은 수속(집광)점(84과 85)과 약간 떨어져 있다. 도 5b에 나타낸 예에 따르면, 신호광이 제어광에 가까운 부분은 수속(집광)점(86)에서 교체대므로, 제어광의 영향은 균등해질 수 있다. 따라서, 수속(집광)한 신호광의 빔 단면의 형상은 원형이며, 왜곡은 거의 없다고 생각된다.
도 5c에 나타낸 예에서, 제어광 및 신호광이 광 흡수층(3)의 심부에 진입한 위치에서 수속(집광)한다. 신호광의 외견상의 수속(집광)점(84)과 제어광이 조사되었을 경우의 신호광의 수속(집광)점(86)은 거의 일치한다.
제어광은 열 렌즈 형성 광학 소자(1)로 진행했을 경우 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 의해 흡수된다. 따라서, 입사면으로부터 더 내측 위치(예를 들면, 200㎛ ~ 300㎛)에서, 광량이 약해져 열 렌즈 작용은 없어질 수 있다.
도 5c에 나타낸 예에 따르면, 제어광의 영향이 거의 없어진 위치에서 신호광이 집광한다. 따라서, 수속(집광)점(86) 이후는 신호광의 휘어짐은 없어진다. 그러나, 수속(집광)점(86)까지는 도 5a에 나타냈을 경우와는 반대측의 신호광 부분이 제어광의 영향을 강하게 받아 휘어짐이 커진다. 따라서, 신호광의 빔 단면 형상은 원형이 되지 않는다고 생각된다.
본 실시형태에서는, 광로 변경된 신호광의 빔 단면을 원형 빔으로 유지하기 위해서, 도 5b의 상태가 되도록 열 렌즈 형성 광학 소자(1), 즉 광 흡수층(3)의 위치를 조정했다. 이 경우, 상기 제어광이 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 변경된 신호광이, 6각뿔대 프리즘이 설치되어 있지 않을 경우, 검출기의 수광 위치에 있어서는 동일 점에 수속(집광)한다.
구체적으로는, 신호광의 빔 단면의 형상을 결합 효율 향상에 유리한 원형 빔인 채로 광로 전환하고자 할 경우, 제어광을 조사하지 않는 경우의 신호광의 수속(집광)점(85)과 외견상의 신호광의 수속(집광)점(84)의 위치가 일치한다. 즉, 2개의 수속(집광)점(85, 84)간의 위치 관계는 "부동(fixed)"으로 된다. 따라서, 직진 신호광과 광로 변경된 신호광을 분리해서 검출하는 것은 곤란하다.
그래서, 새로운 유니크한 장치 구성으로서, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8) 사이에 6각뿔대 프리즘(9)을 설치하는 것이 유용하다. 6각뿔대 프리즘(9)은 직진 신호광은 휘어지지 않고 그대로 직진시킬 수 있다. 한편, 6각뿔대 프리즘(9)은 광로 변경 신호광의 진로를 직진 신호광과는 다른 각도로 하여 진행시킨다.
따라서, 직진 신호광과 광로 변경 신호광을, 충분한 거리가 떨어진 상이한 위치에 있어서, 높은 결합 효율로, 광 파이버에서 수광 및 검출하는 것이 가능해진다.
그 결과, 직진 신호광과 광로 변경 신호광의 크로스토크를 현저하게 저감할 수 있다. 예를 들면, 도 5a의 배치를 채용하면, 웨지 프리즘을 이용하지 않더라도, 직진 신호광과 광로 전환 광의 빔 위치를 크게 변화시킬 수 있다. 그러나, 광로 변경된 신호광의 빔 단면 형상이 가우스 분포의 원형 빔으로부터 크게 일탈한다. 따라서, 광 파이버에 의해 수광 및 검출할 때의 결합 효율이 현저하게 악화된다. 또한, 신호광 자체의 감쇠가 크고, 실용에 적합하지 않을 수 있다.
[요소 기술 S3] 열 렌즈 형성 광학 소자(1)로부터 출사되는 직진 신호광(10) 및 광로 변경 신호광(11 ~ 16)을 수광하도록 구성된 수광 광학계의 설계 최적화:
제 1 설계 설정 항목으로서 열 렌즈 형성 광학 소자(1)로부터 출사된 직진 신호광(즉, 제어광 조사가 없는 신호광)(10)과 광로 변경 신호광(즉, 제어광(21 ~ 26)의 조사가 있는 신호광)(11 ~ 16)을 수광하는 수광 렌즈(7)(제 1 수광 수단)의 설정을 포함한다. 제 1 설계 설정 항목은 직진 신호광(10)과 광로 변경 신호광(11 ~ 16)을 수광측 7코어 광 파이버 번들(210)의 파이버 단부면의 코어에 결합하기 위한 결합 렌즈(8)(제 2 수광 수단)의 설정을 더 포함한다.
신호광의 파장으로서 파이버투더홈(Fiber To The Home)(FTTH)의 다운링크 신호로서 이용되는 파장이 1490㎚이고 업링크 신호로서 이용되는 파장이 1310㎚이며, 이는 렌즈의 굴절율 파장 의존의 영향을 받는다. 아크로매틱 렌즈를 사용하지 않을 경우, 한쪽의 파장에서 광학계를 조정하면 다른 쪽의 파장에서의 광 파이버 결합 효율이 저하한다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 동일하게 해서, 초점 거리를 8㎜, 2.75㎜, 및 2.0㎜의 3가지로 해서 측정된 실험적으로 얻어진 광 파이버 결합 효율을 나타낸다. 표 1에서 명확한 바와 같이, 2.75㎜ 이하의 초점 거리일 경우, 광 파이버에의 결합 효율의 파장 의존성이 매우 작다.
초점 거리 8㎜의 렌즈의 경우, 1550㎚ 광으로 광학계 조정을 행하면, 1310㎚ 광으로 측정한 결합 효율은 1550㎚ 광으로 측정한 광 파이버에의 결합 효율보다 작다. 마찬가지로, 1310㎚ 광으로 광학계 조정을 행하면, 1550㎚ 광으로 측정한 광 파이버의 결합 효율은 1310㎚ 광으로 측정한 광 파이버에의 결합 효율보다 작다.
수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리의 최소값은 실용상, 1.0㎜이다. 이것보다 초점 거리를 작게 하면, 렌즈의 이동시, 렌즈(7 또는 8)와 6각뿔대 프리즘(9)이 접촉할 수 있다. 이상 정리하면, 수광 렌즈(7)(제 1 수광 수단)와 수광 렌즈(8)(제 2 수광 수단)가 초점 거리 1.0㎜ 내지 3.0㎜의 구면 혹은 비구면 볼록 렌즈일 경우, 아크로매틱 렌즈를 이용하지 않아도 신호광의 파장 차이의 영향을 거의 받지 않는다.
광학계 조정의 파장과 신호광의 파장
 광 파이버의 결합 효율[%]
f=2㎜ f=2.75㎜ f=8㎜
직진광 변경광 직진광 변경광 직진광 변경광
1550㎚ 조정 1550㎚ 광 57.2 46.2 47.8 46.5 23.6 22.5
1310㎚ 조정 1550㎚ 광 52.1 43.4 47.1 37.8 15.7 6.0
1550㎚ 조정 1310㎚ 광 54.7 50.6 60.6 36.1 12.1 5.3
1310㎚ 조정 1310㎚ 광 57.8 52.8 61.1 56.1 28.0 28.7
열 렌즈 형성 광학 소자(1)를 통과한 신호광은, 수광 렌즈(7) 및 결합 렌즈(8)에 의해 수광측 7코어 광 파이버 번들에 집광된다. 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)의 2개의 볼록 렌즈로 축소 광학계로 하고 있으므로, 수광측 7코어 광 파이버 번들의 신호광의 검출 효율을 높이기 위해서는, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의해 집광할 때 신호광을 확대하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)에 의해 0.8배로 축소했을 경우에는, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의해 1.25배로 확대하는 것이 바람직하다.
표 1에 있어서, 초점 거리 8㎜의 렌즈에서 전체의 결합 효율이 상대적으로 작은 이유는, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의한 확대율을 최적화할 수 없기 때문이다.
결합 렌즈(8)와 6각뿔대 프리즘(9)의 간격은, 6각뿔대 프리즘(9)을 통과한 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광이, 검출기(200 ~ 206)인 각각의 싱글 모드 광 파이버 단부면에 수직하게 입사하도록 하기 위해서, 결합 렌즈(8)의 입사측 초점 가까이를 통과하도록 할 필요가 있다.
따라서, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 간격은 매우 작게 할 수 없다. 예를 들면, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 2㎜로 하고, 6각뿔대 프리즘(9)의 웨지 각도를 7.1도, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)에 의한 축소율을 0.8로 했을 경우, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)간의 간격은 10㎜ ~ 25㎜로 하는 것이 바람직하다.
제 2 설계 설정 항목으로서, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8) 사이에 삽입하는 웨지가 있다. 7코어 광 파이버 번들을 이용할 경우, 필요로 되는 6개의 웨지를 일체화하여, 도 2에 나타낸 바와 같은 6각뿔대 프리즘(9)으로서 하는 것이 바람직하다. 여기에서, 직진 신호광(10)은 6각뿔대 프리즘(9)의 정상 평면(90)에 입사되고, 바닥면(97)으로부터 출사된다. 한편, 광로 변경된 신호광(11 ~ 16)은, 정상 평면(90)의 근방의 웨지면(91 ~ 96)을 통과하고, 굴절되어, 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 광축간 거리를 확대한다.
제 2 설계 설정 항목은 결상 위치에 있어서, 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 및 직진 신호광의 빔 스폿이 서로 겹치지 않도록 하는 설정을 더 포함한다. 직진 신호광과 광로 변경 신호광간의 크로스토크, 및 인접하는 광로 변경 신호광간의 크로스토크를 저감하는데 효과적이다.
앞서도 기술한 바와 같이, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)의 2개의 볼록 렌즈로 축소 광학계를 구성하고 있다. 수광측 7코어 광 파이버 번들의 신호광의 검출 효율을 높이기 위해서는, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의해 확대해서 집광하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 콜리메이터 렌즈(5) 및 집광 렌즈(6)에 의해 신호광을 0.8배로 축소했을 경우에는, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)에 의해 신호광을 1.25배로 확대하는 것이 바람직하다. 초점 거리 2㎜의 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)를 이용하고, 수광 렌즈(7)와 결합 렌즈(8)간 거리를 20㎜로 해서 신호광을 1.25배로 확대하면, 수광 렌즈(7)를 통과한 광은 약 0.3도 집광하는 상태가 된다. 따라서, 거리(Dx)를 125㎛로 할 경우에는, 이 0.3도만큼 웨지의 각도를 작게 해서 θ≒6.5도로 할 필요가 있다. 혹은, 웨지의 각도가 θ=7.1도이면, 거리(Dx)를 작게(약 115㎛) 할 필요가 있다.
확대율을 크게 해서 신호광이 평행 광으로부터 크게 일탈하면, 6각뿔대 프리즘(9)의 웨지 부분을 통과하는 신호광에 수차가 생기게 된다. 그러나, 수광 렌즈(7)의 초점 거리와 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 바꿔서 확대하면, 신호광은 평행 광이며 6각뿔대 프리즘(9)을 통과할 수 있으므로 수차가 생기기 어렵다. 예를 들면, 1.25배로 신호광을 확대할 경우, 수광 렌즈(7)의 초점 거리를 1.6㎜로 하고 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 2㎜로 하는 것이 바람직하다.
열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 제어광이 조사되지 않을 경우, 신호광은, 정상 평면부로 직진하여 도달한다. 즉, 신호광은 광로 변경하지 않고 직진한다. 또한, 6각뿔대 프리즘(9)의 웨지 부분을 통과한 광로 변경된 신호광은, 제어광이 조사되지 않고 직진하는 신호광과 교차하는 방향으로 진행하도록 6각뿔대 프리즘(9)을 설치했다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 6각뿔대 프리즘(9)과 결합 렌즈(8)간의 간격은, 6각뿔대 프리즘(9)을 투과한 신호광이, 결합 렌즈(8)를 투과한 후, 각각의 싱글 모드 광 파이버(수광측 7코어 번들 파이버(200 ~ 206)) 단부면에 수직으로 입사하도록 설정한다.
수광측 7코어 광 파이버에 수직으로 입사하도록, 결합 렌즈(8)의 입사측 초점을 웨지에 의해 광로 변경된 신호광이 통과하게 하는 것이 바람직하다. 광 파이버 단부면에 신호광이 수직으로 입사할 수 있을 경우, 검출기(광 파이버)에의 신호광의 입사 효율이 최대가 될 수 있다. 싱글 모드 광 파이버(검출기(200) ~ 검출기(206))는 거의 광축과 평행하게 설치했다.
프리즘을 상술한 6각뿔대 형상이 아닌 다른 형상을 갖도록 구성할 수 있다. 예를 들면, 프리즘은 반대 방향으로 된 6각뿔대를 그 중심이 오목해진 평평한 글래스 부재일 수 있다. 이 경우에, 수광측 7코어 광 파이버 번들의 위치에 있어서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 빔 스폿 중심간 거리(Dx)를 확대하는 것은 가능하다. 그러나, 신호광을 각각의 싱글 모드 광 파이버(수광측 7코어 광 파이버(200 ~ 206)) 단부면에 수직하게 입사하도록 하기 곤란하다.
도 1에서 6각뿔대 프리즘(9)에 따르면, 정상 평면을 입사면, 저부 평면을 출사면으로 하고 있다. 그러나, 6각뿔대 프리즘(9)을 반대로 정상 평면이 출사면이고 저부 평면이 입사면으로 설치하는 것도 가능하다.
제 3 설계 설정 항목으로서, 6각뿔대 프리즘(9)의 웨지(wedge)각(θ)의 설정과, 수광측 7코어 광 파이버 번들을 구성하는 둘레 파이버 중심간 거리의 결정을 포함한다.
검출기의 위치에서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 광축간 거리(Rout)는, 6각뿔대 프리즘(9)의 경각(θ)과 결합 렌즈(8)의 초점 거리(f)에 의해 다음과 같이 계산할 수 있다.
[수식 1]
Rout=f*tan(ωout) ·········(1)
수식 (1)에서, ωout은 6각뿔대 프리즘(9)으로부터의 광의 출사 각도(즉, 6각뿔대 프리즘(9)의 정상 평면에 수직인 선과의 각도로서 수직한 선과 교차할 경우에는 정(正)의 부호임)를 나타낸다. 출사 각도(ωout)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
[수식 2]
ωout≒2*(n1/n0-1)*(θ/2)+ωin ·········(2)
수식 (2)에서, n1은 6각뿔대 프리즘(9)의 굴절율, n0는 6각뿔대 프리즘(9)을 둘러싸는 매질(예를 들면, 본 실시형태에서는 공기)의 굴절율, θ는 6각뿔대 프리즘(9)의 경각을 나타낸다. 또한, ωin은 6각뿔대 프리즘(9)에의 입사 각도(즉, 6각뿔대 프리즘(9)의 정상 평면에 수직인 선과의 각도로서 수직한 선과 교차할 경우에는 정, 수직한 선으로부터 떨어질 경우에는 부의 부호로 함)를 나타낸다.
결합 렌즈(8)의 초점 거리를 2㎜, 6각뿔대 프리즘(9)의 경각(θ)을 7.1도, n1=1.5, n0=1.0, 직진 신호광과 광로 변경된 신호광이 거의 평행할 경우(ωin=0)로 하면, 검출기의 위치에서의 직진 신호광과 광로 변경된 신호광의 광축간 거리(Rout)는 125㎛이다.
6각뿔대 프리즘(9)을 투과한 신호광이, 결합 렌즈(8)에 입사 및 투과한 후, 검출기인 싱글 모드 광 파이버에 그 단부면에서 수직으로 입사한다. 이 경우에, 결합 렌즈(8)와 6각뿔대 프리즘(9)간의 간격(X)은 이하와 같이 계산할 수 있다.
6각뿔대 프리즘에의 입사 위치를 광축으로부터 r1로 나타내면, 결합 렌즈(8)에의 입사 위치 r2는 대략 다음과 같이 주어질 수 있다.
[수식 3]
r2≒r1-tan(θ/2)*X ·········(3)
결합 렌즈(8)를 통과한 신호광의 수속(집광)점의 광축으로부터의 거리를 r3으로 할 경우, 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 f로 하면, 거리(r3)를 다음과 계산할 수 있다.
[수식 4]
r3=-f*tan(θ/2) ·······(4)
검출기의 위치를 광축으로부터 r3로 할 경우, 광 파이버에의 광의 입사 효율을 고려하면, 다음과 같은 관계를 만족할 수 있다.
[수식 5]
r2=r3
(3) 및 (4)식으로부터,
[수식 6]
-f*tan(θ/2)≒rl-tan(θ/2)*X
∴X=f+r1/tan(θ/2) ·············(5)
즉, 광 파이버(즉, 검출기)에의 입사 효율이 최대가 될 수 있는, 결합 렌즈(8)와 6각뿔대 프리즘(9)간의 간격(X)은, 광 파이버(즉, 검출기)에 수속(집광)하는 결합 렌즈(8)의 초점 거리(f)와, 6각뿔대 프리즘(9)에의 입사광의 광축으로부터의 거리(r1)를 6각뿔대 프리즘(9)의 경각의 tan 값으로 나눈 값을 합한 값으로 얻어질 수 있다. 예를 들면, 결합 렌즈(8)의 초점 거리를 2㎜, 6각뿔대 프리즘(9)의 경각(θ)을 7.1도 라고 하면, 결합 렌즈(8)와 6각뿔대 프리즘(9)간의 간격(X)은 약 9㎜이다.
이상의 계산은, 싱글 모드 광 파이버(즉, 검출기(200) ~ 검출기(206))를 거의 광축과 평행하게 설치했을 경우를 상정하여 이루어진다. 싱글 모드 광 파이버(검출기(200) ~ 검출기(206))가 광축과 평행하지 않을 경우에는, 광축과의 경사짐은 보정할 필요가 있다.
도 8은 다음의 조건을 만족할 수 있을 경우의 직진 신호광과 광로 전환 신호광의 빔 단면을 나타낸 것이다. 제어광과 신호광의 광축간 거리를 25㎛로 한다. 처음에는, 신호광이 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층에 입사된다. 이어서, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)를 통과한 후, 직진 및 광로 전환 신호광 빔은 , 웨지각 7도의 6각뿔대형 프리즘에 도달 및 통과한다. 마지막으로, 신호광은 빔 프로파일러의 수광면에 도달한다. 도 8로부터 명확한 바와 같이, 각 빔이 대략 원형인 채로, 7 방향간에 광로 전환될 수 있음을 알 수 있다.
[요소 기술 S4] 광로 전환 속도:
본 실시형태의 최선의 상태에 있어서, 제어광(21 내지 26)의 어느 하나를, 듀티비 1:1로 단속적으로 명멸시킨다. 이 경우에, 주파수를 50㎐ 내지 2000㎐ 내의 범위에서 변화시킨다. 도 9는, 상술한 상태의 직진 신호광과 광로 변경 신호광의 신호광 강도와 제어광이 계속적으로 점등 또는 소등하고 있을 때의 레퍼런스 상태의 신호광 강도로 나눈 값(이것을 "진폭"이라고 부름)을 플롯한 그래프이다.
예를 들면, 제어광(21)을 주파수 50㎐(즉, 주기 20밀리초)로 단속적으로 점등 및 소등했을 때, 직진 광 및 광로 변경 광의 강도는 제어광이 계속적으로 점등 또는 소등하고 있을 때의 레퍼런스 상태의 신호광 강도와 동일하다. 따라서, 진폭은 1.0이다.
제어광의 점등 및 소등에 따라, 직진 광 및 광로 변경 광의 강도는 0.0으로부터 1.0, 또는, 1.0으로부터 0.0으로, 주기의 절반(즉, 10밀리초) 동안 변화된다.
즉, 주파수의 역수를 2로 나눈 값, 즉 주기를 2로 나눈 값을 제어광의 점등 및 소등에 대응한 신호광의 광로 전환 동작의 "응답 시간"이라고 부를 수 있다. 광학계의 조정시, 직진 광 및 광로 변경 광의 응답 시간은 직진 광 또는 광로 변경 광의 어느 하나가 빨라지는 경우가 많다.
도 9에 나타낸 예에 따르면, 광로 변경 광쪽이 빠르게 진폭 1.0에 도달한다. 신호광에 있어서, 진폭이 거의 1.0에 도달하는데 필요로 하는 응답 시간이, 직진 광일 경우에 약 5밀리초, 광로 변경 광일 경우에 2.5밀리초이다.
통상의 전기 스위치의 응답 시간은, 신호의 강도가 1/√2, 즉 진폭 0.707에 도달하는데 요하는 시간이다. 도 9에 나타낸 예에서, 광로 전환 시간을 진폭 약 0.7에 도달하는데 요하는 응답 시간으로 정의하면, 광로 전환 시간은 직진 광에 대해서 약 2.5밀리초, 광로 전환 광에 대해서 약 0.9밀리초이다.
[요소 기술의 통합] 광로 전환 장치로서의 종합 성능:
이상의 실시형태에서, 광로 전환 동작의 응답 시간을 최적화하도록 광학계의 조정을 행한다. 응답 속도 이외에, 중요한 광로 전환 특성으로서, 1대7형 광로 전환 동작에 있어서의 채널간의 크로스토크 및 수광측 광 파이버의 결합 효율(즉, 광로 전환 장치의 삽입 손실)이 있다.
이들 다양한 특성을 적절하게 조합하여 얻어질 수 있는 본 실시형태에 있어서의 최선의 형태에서 동시에 달성될 수 있는 특성값은 아래와 같다.
·광로 전환의 응답 시간: 10밀리초 이내.
·직진 신호광 및 6개의 광로 전환 광 사이의 크로스토크: -30dB 이내.
·광로 전환 장치의 삽입 로스: 2.5dB 이내.
〔비교 실시예 1〕
본 발명의 제 1 실시형태와 비교해야 할 장치 및 조작 방법의 설정 예로서, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 평행하게 설정되고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향을 중력 방향에 직교시키는 설정을 행한다.
출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)을 구성하는 둘레 광 파이버 No. 1 ~ No. 6의 배치는 수광측 7코어 광 파이버 번들을 구성하는 둘레 파이버 No. 1 ~ No. 6의 배치가 180도 회전해서 대응한다. 그러나, 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)에서, 둘레 광 파이버 No. 1 및 No. 2를 하방에, 둘레 광 파이버 No. 4 및 No. 5를 상방에 배치했다. 장치를 구성하는 광학 부품은 제 1 실시형태와 기본적으로 동일하다.
열 렌즈 형성 광학 소자(1)로부터 출사한 직진 신호광(10) 및 광로 전환 신호광(11 ~ 16)을 빔 프로파일러(도시 생략)의 수광 렌즈(7)의 위치에서 직진 및 광로 전환 신호광 빔 위치의 실측값으로 도 7에 나타낸다.
도 7에 있어서, 각각의 검은 원형 표시는 제 1 실시형태에 따른 시스템을 이용하여 실질적으로 측정된 빔 위치를 나타내고, 각각의 사각 표시는 본 비교 실시예에 따른 시스템을 이용하여 실질적으로 측정된 빔 위치를 나타낸다. 본 비교 실시예 1의 경우에는, 광로 변경된 신호광의 빔 위치를 연결한 육각형은, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)를 중력 방향에 평행으로 하고, 제어광의 진행 방향을 중력 방향에 직교시키는 배치로 했기 때문에, 상하가 압축된 편평(扁平) 육각형(정확한 정육각형 배치가 아님)으로 된다.
구체적으로는, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층에서 형성된, 밀도가 낮은 열 렌즈 영역이, 용액 셀 내에서 "부상(상방으로 이동)"해 간다. 따라서, 열 렌즈 중에서 제어광보다 신호광의 위치가 상방일 경우는, 신호광이 받는 열 렌즈 효과가 크다. 상술한 수식 (2)에서, ωin이 마이너스의 값을 가지고, ωout이 작아진다. 결과적으로, 거리(Rout)가 수식 (1)에서 이해할 수 있는 바와 같이, 작아진다.
한편, 열 렌즈 중에서 제어광보다 신호광의 위치가 하방일 경우는, 신호광이 받는 열 렌즈 효과가 다소 작아진다. 그러나, 열 렌즈 중에서 제어광보다 신호광의 위치가 상방일 경우일 경우에 비해, 현저한 영향은 없었다. 또한, 열 대류의 영향은, 도 7의 "좌우" 방향으로는 거의 무시할 수 있는 정도이다.
〔비교 실시예 2〕
본 발명의 제 1 실시형태와 비교해야 할 장치 및 조작 방법에 관한 설정 예로서, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 수직으로 설정되고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자(1)에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향을 중력 방향과는 반대로 한다. 이 점 이외에는, 제 1 실시형태에 있어서의 광학 부품의 주요 특징은 동일하다.
비교 실시예 2에 따르면, 비교 실시예 2에 의해 얻어진 열 렌즈 효과는 제 1 실시형태에 의해 얻어진 열 렌즈 효과에 비해 매우 작다. 직진 신호광의 결상과 광로 변경 신호광의 결상의 거리는, 도 7의 검은 원형 표시의 경우보다 작다.
또한, 광로 변경된 신호광의 결상 위치에 "변동"이 인식된다. 이 원인은, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층의 하방에서 형성된다면, 밀도가 낮은 열 렌즈 영역이 두께 500㎛의 액 중을, 차차 상승해 간다고 생각된다. 결과적으로, 제어광으로서 공급된 에너지가, 신호광의 광로를 변경하기 위한 열 렌즈에 유효하게 이용될 수 없다. 또한, 열 대류의 변동이 신호광의 광로 변경에 악영향을 미치고 있다고 추정할 수 있다.
〔제 2 실시형태〕
도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 광로 전환 장치의 개략적인 구성예이다.
제 2 실시형태는, 제 1 실시형태에 있어서의 출사 측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100) 대신에 다이크로매틱 미러(55)를 이용하는 것을 특징으로 한다. 콜리메이트된 신호광(20)과 콜리메이트된 제어광(27)의 광축간 거리를 20㎛ 내지 25㎛ 범위 내로 해서, 열 렌즈 형성 광학 소자(1)의 광 흡수층에 수속 광이 입사할 수 있다.
또한, 제 2 실시형태는, 수광측 7코어 광 파이버 번들(210) 대신에 직진 신호광 수광 파이버(220) 및 광로 변경 신호광 수광 파이버(221)를 사용하는 점에서, 제 1 실시형태의 경우와 상이하다. 제 2 실시형태에 따른 광로 전환 장치의 나머지 구성 요소는 제 1 실시형태에서 기술한 것과 마찬가지이다.
이에 대해서, 제 2 실시형태에 따른 광로 전환 장치는, 신호광 및 제어광을 중력 방향 하방으로 조사하는 배치의 1대2형 광로 전환 장치이다. 제 2 실시형태는, 신호광과 제어광의 합파(광축은 일치시키지 않음)의 방법이 상이하지만, 제 1 실시예와 동일한 특징을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 대해서 실시형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 범위는 상술한 기재의 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 출원은 2010년3월31일에 출원된 일본국 특원2010-083747에 의거하여 우선권을 주장하며, 그 전문은 원용에 의해 본원에 포함된다.
1 열 렌즈 형성 광 소자, 5 용액 셀, 3 색소 용액(광 흡수층), 4 열 렌즈 영역, 5 콜리메이터 렌즈, 6 집광 렌즈, 7 수광 렌즈, 8 결합 렌즈, 9 6각뿔대형 프리즘, 10 직진 신호광, 11 ~ 16 광로 변경 신호광, 20 신호광, 21 ~ 26 제어광, 100 출사측 단부면 근접 7 코어 광 파이버 번들, 101 출사측 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들(100)의 출사측 단부면, 200 수광측 7코어 광 파이버 번들의 중심 파이버 단부면, 201 ~ 206 수광측 7코어 광 파이버 번들의 둘레 파이버 단부면, 210 수광측 7코어 광 파이버 번들, 90 6각뿔대형 프리즘의 정상 평면, 91 ~ 96 6각뿔대형 프리즘의 웨지면, 97 6각뿔대의 저부 평면, 31 코어, 32 클래드, 33 접착제, 34 페롤, 27 제어광, 52 콜리메이터 렌즈, 55 다이크로매틱 미러, 110 신호광 광원, 111 제어광 광원, 220 직진 신호광 수광 파이버, 221 광로 변경 신호광 수광 파이버, 81 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 수속(집광)점 또는 그 부근에서의 제어광의 광 강도 분포, 82 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 수속(집광)점으로부터 떨어진 곳에서의 제어광의 광 강도 분포, 83 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 제어광의 수속(집광)점, 84 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 외견상의 신호광의 수속(집광)점, 85 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 제어광이 조사되지 않을 경우의 신호광의 수속(집광)점, 86 열 렌즈 형성 광학 소자에서의 제어광이 조사되었을 경우의 수속(집광)점

Claims (7)

1 종류 이상의 파장의 신호광을 발생시킬 수 있는 신호광 광원과,
상기 신호광과는 상이한 특정 파장의 제어광을 발생시킬 수 있는 2개 이상의 제어광 광원과,
상기 신호광을 투과시키고, 상기 제어광을 선택적으로 흡수할 수 있는 광 흡수층을 포함하는 열 렌즈 형성 광학 소자와,
상기 광 흡수층에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 안내하여 수속시킬 수 있는 집광 수단을 포함하고,
상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 제어광과 상기 신호광을, 광의 진행 방향으로 상기 광 흡수층 내에서 수속한 후 확산시킴으로써, 상기 광 흡수층 내에 있어서의 상기 제어광을 흡수한 영역 및 그 주변 영역에 국부적으로 일어나는 온도 상승에 기인해 열 렌즈를 과도적으로 형성하고, 당해 열 렌즈에 의해, 상기 신호광의 진행 방향을 바꾸어, 광로 전환을 실현할 수 있는 상기 광 흡수층 내에 굴절률 분포가 생기고,
제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단을 설치해서, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 서로 동일한 상기 제 1 수광 수단과 상기 제 2 수광 수단에 의해 각각 수속 또는 집광하고,
웨지(wedge)형 프리즘을 상기 제 1 수광 수단과 상기 제 2 수광 수단 사이에 설치해서, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을 분광한 상태로 굴절시키는 광로 전환 장치로서,
(1) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면은 중력 방향에 대하여 수직으로 설정되고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향은 중력 방향과 평행하게 설정되고,
(2) 상기 집광 수단은, 상기 광 흡수층의 입사면에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 집광시키며, 축소 투영 광학계를 구성하고 있고,
(3) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(4) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 광축과, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광의 광축 사이의 거리가 가까워지게 상기 광로 전환된 신호광을 굴절하도록, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(5) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 웨지형 프리즘을 배치하지 않았을 경우에, 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광이, 상기 제 1 수광 수단 및 상기 제 2 수광 수단에 의해 동일한 위치에 수속 또는 집광되도록 위치되어 있는,
상기 (1) 내지 (5)의 조건 중 적어도 하나를 만족하는 광로 전환 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신호광 및 제어광은, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상방에 위치된 입사면을 통해 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사되는 광로 전환 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 수광 수단에 의해 수속 또는 집광된, 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광을 수광할 수 있는 단부면 근접 다코어 광 파이버 번들을 더 포함하는 광로 전환 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 신호광 광원과 비결속(non-bundled) 말단에서 접속된 중심 광 파이버와, 상기 신호광과는 상이한 파장의 제어광을 각각 발생시키는 2개 내지 6개의 상기 제어광 광원 각각에 비결속 말단이 접속된 6개의 둘레 광 파이버를 포함하는 단부면 근접 7코어 광 파이버 번들을 더 포함하는 광로 전환 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 웨지형 프리즘은 6각뿔대형 프리즘이고, 상기 6각뿔대형 프리즘은 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광이 상기 6각뿔대형 프리즘의 정상 평면을 수직으로 통과하게 하고, 광로 전환된 상기 신호광이 상기 6각뿔대형 프리즘의 6개의 웨지면 중 어느 하나를 통과하게 하여, 각각의 광이 6각뿔대형 프리즘으로부터 출사되게 하는 광로 전환 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단은 초점 거리 1.0㎜ 내지 3.0㎜의 범위 내인 구면 또는 비구면 볼록 렌즈인 광로 전환 장치.
신호광 광원으로부터 1종류 이상의 파장의 신호광을 발생시키는 단계,
2개 이상의 제어광 광원으로부터 상기 신호광과는 상이한 특정 파장의 제어광을 발생시키는 단계,
상기 신호광을 투과시키고 상기 제어광을 선택적으로 흡수할 수 있는 열 렌즈 형성 광학 소자의 광 흡수층에, 상기 신호광과 상기 제어광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 수속하도록 안내하는 단계,
상기 신호광을, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 투과시키는 단계,
상기 제어광을, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 광 흡수층 내에 흡수시켜서 상기 광 흡수층 내에 있어서의 상기 제어광을 흡수한 영역 및 그 주변 영역에 국부적으로 일어나는 온도 상승에 기인해 열 렌즈를 과도적으로 형성시키고, 상기 열 렌즈 형성 광학 소자가 상기 광 흡수층 내에 굴절률 분포를 생기게 해서, 상기 신호광의 진행 방향을 바꾸어서 광로 전환을 실현하는 단계,
상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 동일한 광학 소자로 이루어지는 제 1 수광 수단 및 제 2 수광 수단에 의해 수속 또는 집광시키는 단계,
상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 직진 신호광과, 상기 제어광이 조사되어 광로 전환된 신호광을, 제 1 수광 수단과 제 2 수광 수단 사이에 설치한 웨지형 프리즘에 의해 분광한 상태로 굴절시시키는 단계를 포함하는 광 신호의 광로 전환 방법으로서,
(6) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자의 상기 신호광 입사면을 중력 방향에 대하여 수직으로 설정하고, 또한 상기 열 렌즈 형성 광학 소자에 입사하는 상기 신호광 및 상기 제어광의 진행 방향은 중력 방향과 평행하게 설정되고,
(7) 상기 광 흡수층의 입사면에 상기 제어광과 상기 신호광을, 각각의 수속점을 광축에 대하여 수직 방향에서 상이하게 해서 집광시키며, 축소 투영 광학계를 구성하고 있고,
(8) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(9) 상기 웨지형 프리즘은, 광로 전환된 상기 신호광의 광축과, 상기 제어광의 조사가 부족하여 진행 방향이 바뀌지 않은 상기 직진 신호광의 광축 사이의 거리가 가까워지게 상기 광로 전환된 신호광을 굴절하도록, 광로 전환된 상기 신호광의 각각의 통과 위치에 대응하는 부분에 웨지면이 적어도 하나 설치되어 있고,
(10) 상기 열 렌즈 형성 광학 소자는, 상기 웨지형 프리즘을 배치하지 않았을 경우에, 상기 직진 신호광과 광로 전환된 상기 신호광이, 동일한 위치에 수속 또는 집광되도록 위치되어 있는,
상기 (6) 내지 (10)의 조건 중 적어도 하나를 만족하는 광 신호의 광로 전환 방법.
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